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華中大羅亮教授/同濟醫(yī)院田德安教授聯(lián)合團隊 ACS Nano：口服仿生細菌鞭毛的納米纖維用于炎癥性腸病的靶向CT成像與治療
2023-02-20  來源：高分子科技

  近期，華中科技大學(xué)生命學(xué)院羅亮教授團隊和附屬同濟醫(yī)院消化內(nèi)科田德安教授團隊針對炎癥性腸病的臨床診療需求，受細菌鞭毛啟發(fā)而開發(fā)出一種共軛高分子納米纖維PIDA，可以同時實現(xiàn)炎癥性腸病的靶向CT成像和按需治療干預(yù)，展示了良好的臨床應(yīng)用潛力。該工作以“Targeted Computed TomographyVisualization and Healing of InflammatoryBowel Disease by Orally Delivered Bacterial Flagella-Inspired PolydiiododiacetyleneNanofibers”為題發(fā)表在《ACS Nano》上(DOI: 10.1021/acsnano.1c03083)。



  炎癥性腸病(IBD)是一種以反復(fù)發(fā)作的慢性炎癥為特征的胃腸道疾病，目前已逐漸成為“復(fù)雜而昂貴”的全球流行病。IBD的早期準確診斷和適當(dāng)治療干預(yù)對于抑制疾病發(fā)展至關(guān)重要，而計算機斷層掃描(CT)是診斷胃腸道疾病最廣泛使用的醫(yī)學(xué)成像方式。但基于目前的CT造影劑仍無法精確地勾勒出胃腸道壁及病灶部位。另一方面，現(xiàn)有的IBD治療策略包括抗生素、益生菌和糞便微生物移植等，面臨著菌群失衡、存活率有限和個體性差異等問題。臨床上迫切需要在維持腸道微生物平衡的同時，減輕炎癥和抑制腸道菌群爆發(fā)的有效IBD治療策略。


  在此項工作中，研究人員受細菌鞭毛啟發(fā)，設(shè)計開發(fā)了一種僅由碳碘組成的共軛高分子（PIDA）納米纖維的設(shè)計及其在IBD的靶向CT成像和按需治療干預(yù)中的性能。PIDA納米纖維具有類似細菌鞭毛的形態(tài)，口服后附著在胃腸道黏液層上，在2小時內(nèi)均勻分布在胃腸道表面，CT掃描時可完整呈現(xiàn)胃腸道黏膜狀態(tài)。同時PIDA在炎癥病變損傷黏膜中比正常胃腸道組織中保留時間更長，可實現(xiàn)IBD的靶向性CT成像；谄洫毺氐馊〈鄱步Y(jié)構(gòu)，PIDA還可以清除活性氧(ROS)和調(diào)節(jié)失調(diào)的腸道生態(tài)，從而在維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)的同時緩解炎癥，促進胃腸道微環(huán)境的再平衡，加快黏膜愈合。


圖1. 受細菌鞭毛啟發(fā)的PIDA納米纖維的設(shè)計與作用機理。


  細菌鞭毛是細菌細長的附肢，直接介導(dǎo)細菌粘附在胃腸道黏液層上并在病灶處富集。研究人員開發(fā)的PIDA納米纖維可以在口服給藥后附著在胃腸道黏液層上，并在胃腸道蠕動時均勻地分布在胃腸道表面。鑒于PIDA的超高效CT成像特點，在給藥后2小時內(nèi)CT掃描即可描繪出胃腸道黏膜。這種全新的PIDA介導(dǎo)胃腸道壁CT成像方式快速方便，有利于胃腸道疾病的臨床早期診斷和篩查。


圖2. PIDA介導(dǎo)的胃腸道壁CT成像。


  具有鞭毛樣形態(tài)的PIDA納米纖維還可以特異性侵入炎癥損傷黏膜的“滲漏”上皮。PIDA在炎癥部位的延長保留和富集可以實現(xiàn)目前臨床上所需的IBD病變針對性CT成像。這一發(fā)現(xiàn)不僅對早期IBD診斷至關(guān)重要，而且還可以啟發(fā)更多胃腸道疾病靶向治療策略的發(fā)展。長期以來與納米顆粒相比，納米纖維在提供治療和顯像方面較少受到重視。這項工作利用模仿細菌鞭毛的納米纖維獨特結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，為開發(fā)基于納米纖維的胃腸道靶向藥物載體鋪平了新道路。


圖3. PIDA介導(dǎo)的胃腸道炎癥病灶的靶向CT成像。


  PIDA納米纖維的胃腸道炎癥靶向特性也可以有效地按需治療IBD；谄洫毺氐牡馊〈垡胰步Y(jié)構(gòu)，PIDA可通過其烯-炔交替主鏈協(xié)同清除活性氧（ROS），并基于其豐富的C-I側(cè)鏈殺滅微生物。在正常情況下，PIDA納米纖維在胃腸道中排泄相對較快。相比之下，IBD病變處保留并富集的PIDA納米纖維可選擇性消除炎癥微環(huán)境中的ROS和緩解炎癥，最終調(diào)節(jié)腸道微生物群，恢復(fù)胃腸道屏障功能。


圖4. PIDA介導(dǎo)的腸道微環(huán)境的調(diào)節(jié)。


  華中科技大學(xué)生命學(xué)院博士生殷明明、華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院博士生陳雨和附屬協(xié)和醫(yī)院劉小明醫(yī)生為論文共同第一作者，羅亮教授和田斯丹博士為論文通訊作者。該研究得到了華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院田德安教授的指導(dǎo)以及附屬協(xié)和醫(yī)院江大衛(wèi)教授和雷子喬教授的大力支持，并受到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、華中科技大學(xué)引進人才啟動經(jīng)費和湖北省自然科學(xué)基金的資助。


  此項工作是羅亮教授課題組在生物醫(yī)用共軛高分子材料方向的又一重要成果。羅亮教授團隊長期致力于共軛高分子材料的設(shè)計、制備及在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究，對于如何賦予共軛高分子多功能性，促進其安全高效地應(yīng)用于生物醫(yī)藥診療領(lǐng)域開展了系統(tǒng)深入的探究。近年來，先后發(fā)展高效靶向拉曼生物成像探針(Nat. Commun. 2020, 11, 81; Nano Lett. 2022, 22, 4544）、CT成像探針(Nat. Commun. 2022, 13, 2625)、熒光檢測探針(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 20097)、化學(xué)發(fā)光探針(Adv. Mater. 2020, 32, 2004685）、可視化診療體系(Nat. Commun. 2019, 10, 4781; Nano-Micro Lett. 2021, 13,141; Nat. Commun. 2022, 13, 4553; Nat. Commun. 2022, 13, 6835）等，并探討了此類材料的可降解性與降解機制（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 10054; Chem. Eng. J. 2021, 417, 127890; Chem 2022, 8, 2326）。團隊研究工作交叉融合高分子材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等學(xué)科，并積極推動相關(guān)的臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。


  論文鏈接: https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12154

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